CN110672667A - 一种用于测量等离子体沉积的动态压阻探针 - Google Patents

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Abstract

一种用于测量等离子体沉积的动态压阻探针，使用接触式测量方法对金属推进剂电推力器束流等离子体的沉积情况进行测量的动态压阻探针。测量对象为电推进领域的金属工质锂推力器，测量离子沉积率。采用了一个恒流源通在并联的两块不同材质的金属板上，将等离子体沉积在金属表面产生的电阻率变化的差异采集并建立模型计算，最终获得等离子体的沉积率。

Description

一种用于测量等离子体沉积的动态压阻探针
技术领域
本发明属于电推进等离子体测量领域，涉及一种使用接触式测量方法对金属推进剂电推力器束流等离子体的沉积情况进行测量的动态压阻探针。
背景技术
电推进是一类利用电能直接加热推进剂或利用电磁作用电离加速推进剂以获得推进动力的先进推进方式，具有较高的比冲、推力和效率，在大型航天器的轨道控制、深空探测和星际航行等空间任务中有广阔的应用前景。
金属工质电推力器为静电式电推力器的一种，目前已被广泛应用于卫星以及深空探测器的主推进系统。金属工质电推力器的羽流等离子体相关参数的测量对于提高优化发动机设计、提高发动机性能具有重要意义。
在实际的太空任务中，部分等离子体会附着磁感线运动，飞到推力器上游从而损坏宇宙飞船，对于等离子体溅射沉积尚未得到定量的结果。而传统的测量仪器诸如法拉第探针和阻滞能量分析仪因为信噪比太低，无法得到相应的实验结果，所以来自于电推力器羽流的离子沉积率这一参数暂时还缺乏有效的测量仪器。因此，一种用于测量等离子体沉积的动态压阻探针对电推力器的羽流的离子沉积情况的评估十分重要。
发明内容
本发明的目的在于设计一种用于测量等离子体沉积的动态压阻探针，测量金属推进剂电推力器羽流等离子体的沉积率。具体的技术方案如下：
一种用于测量等离子体沉积的动态压阻探针，包括锂薄膜、收集器、阳极、阴极、供电电源、电压表；其中锂薄膜覆盖在收集器表面，收集沉积在收集器表面的等离子体；收集器底部两端分别安装阳极和阴极；供电电源为阳极和阴极恒流供电；电压表用于采集阳极和阴极之间的电压。
其中，当等离子体沉积在收集器表面，收集器的整体电阻发生变化，在供电电源的恒流作用下，电压表采集到的阳极和阴极间的电压随之变化；根据并联电阻计算公式和欧姆定律得到加载在动态压阻探针两端的电压与等离子体沉积层的电阻率之间的关系，根据电阻特性参数的变化进一步计算得到电推力器羽流等离子体的沉积率。
其中，考虑温度对电阻率的影响，根据下述公式获得等离子体沉积率：
其中：
Figure BDA0002236848520000022
为沉积率，ρLi(T)为金属推进剂锂的电阻率，ρss(T)为收集器在温度变量下的电阻率函数，hss为动态压阻探针本体的厚度，l为长度，σ为金属推进剂锂的密度，w为收集器的宽度，t为收集时间，V是阴阳极两端电压，I为恒流电流。
其中，收集器采用奥氏体不锈钢。
本发明的优点在于：
1、通过并联锂薄膜和收集器，向等离子体沉积物和不锈钢收集器恒流供电，获得电阻率的变化，进而得到等离子体的沉积情况。
2、考虑到等离子体沉积的测量往往高达几百上千小时，而推力器羽流中的热流密度较高，动态压阻探针的收集面采用了奥氏体不锈钢，使得探针不会因为温度太高而失效，最高耐温能达到1200K。
3、不锈钢和锂的电阻率随温度变化很严重，所以针对不同温度范围，电阻率与沉积率的对应关系是不同的。考虑温度对电阻率的影响，可以得到更为准确的推力器等离子体的沉积率。
4、导出了沉积率计算方程，因此根据动态压阻的测量参数，可以计算得到单位时间内推力器羽流离子在探针测量方向上的金属锂的沉积速度。
附图说明
图1为用于测量等离子体沉积的动态压阻探针的电路图。
图2为用于测量等离子体沉积的动态压阻探针的表面沉积速率示意图。
图中：1.锂薄膜；2.收集器；3.阴极；4.供电电源；5.电压表；6.阳极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，一种用于测量等离子体沉积的动态压阻探针包括：锂薄膜1、收集器2、阴极3、供电电源4、电压表5、阳极6。锂薄膜1覆盖在收集器2表面，收集沉积在收集器表面上的等离子体；收集器2采用奥氏体不锈钢，在收集器底部两端安装了阳极6和阴极3；供电电源4为阳极6和阴极3恒流供电。
本发明的测量方案如下，将动态压阻探针放置于电推力器的羽流环境内，当等离子体沉积在收集器2表面，会使得锂薄膜1上沉积的等离子体和收集器2所并联的电路的整体电阻发生变化，在供电电源的恒流作用下，电压表5采集到的阳极6和阴极3间的电压也会随之变化。根据并联电阻计算公式和欧姆定律可以得到加载在动态压阻探针两端的电压与等离子体沉积层的电阻率之间的关系，根据电阻特性参数的变化进一步可以计算得到电推力器羽流等离子体的沉积率。
并联电阻计算关系式如下：
其中V是阴阳极两端电压，I为恒流电流，Rss为不锈钢收集器电阻，RLi为锂薄膜层及表面沉积等离子体层的电阻。
接下来是电阻的计算，材料的电阻主要跟电阻率、横截面积和长度有关，而下层的不锈钢收集器电阻是固定的，上层的板电阻会随着锂的沉积厚度而改变，如下式，根据这个改变就可以得出沉积率。
Figure BDA0002236848520000032
Figure BDA0002236848520000033
其中：ρLi为金属推进剂锂的电阻率，l为长度，σ为金属推进剂锂的密度，
Figure BDA0002236848520000034
为沉积率，w为收集器的宽度，t为收集时间，hLi为锂薄膜层与等离子体沉积层的总厚度。根据上述公式可以得到沉积时间、探针收集面积和沉积厚度的关系，最终得到等离子体沉积率。
本发明提供的用于测量等离子体沉积的动态压阻探针的表面沉积速率示意图，如图2，为了测量等离子体的沉积而不是溅射，探针收集面应平行于来流等离子体，为探针收集面与推力器径向夹角。来流的锂离子沿着探针收集表面流过，部分锂离子会被探针表面的电子复合，以金属锂的形式沉积在探针的表面。该沉积的速度是由等离子体沉积厚度z来反映的，受到来流离子速度W的直接影响，是随着z变化而变化的一个函数。
同时，金属推进剂锂沉积在收集器之后会导致探针整体的温度发生改变，而不锈钢和锂的电阻率随温度变化很严重，所以针对不同温度范围，电阻率与沉积率的对应关系是不同的。温度对电阻率的影响服从来自实验拟合所得的三阶方程ρss(T)，因此最终得到的等离子体沉积率计算如下：
ρss(T)＝10-16T3-6×10-13T2-10-19T+4×10-7
Figure BDA0002236848520000041
其中：
Figure BDA0002236848520000042
为沉积率，ρLi(T)为金属推进剂锂的电阻率，ρss(T)为收集器在温度变量下的电阻率函数，hss为动态压阻探针本体的厚度，l为长度，σ为金属推进剂锂的密度，w为收集器的宽度，t为收集时间，V是阴阳极两端电压，I为恒流电流。
以上仅为本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于测量等离子体沉积的动态压阻探针，其特征在于：包括锂薄膜、收集器、阳极、阴极、供电电源、电压表；其中锂薄膜覆盖在收集器表面，收集沉积在收集器表面的等离子体；收集器底部两端分别安装阳极和阴极；供电电源为阳极和阴极恒流供电；电压表用于采集阳极和阴极之间的电压。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量等离子体沉积的动态压阻探针，其特征在于：当等离子体沉积在收集器表面，收集器的整体电阻发生变化，在供电电源的恒流作用下，电压表采集到的阳极和阴极间的电压随之变化；根据并联电阻计算公式和欧姆定律得到加载在动态压阻探针两端的电压与等离子体沉积层的电阻率之间的关系，根据电阻特性参数的变化进一步计算得到电推力器羽流等离子体的沉积率。
3.根据权利要求2所述的一种用于测量等离子体沉积的动态压阻探针，其特征在于：考虑温度对电阻率的影响，根据下述公式获得等离子体沉积率：
Figure FDA0002236848510000011
其中：
Figure FDA0002236848510000012
为沉积率，ρLi(T)为金属推进剂锂的电阻率，ρss(T)为收集器在温度变量下的电阻率函数，hss为动态压阻探针本体的厚度，l为长度，σ为金属推进剂锂的密度，w为收集器的宽度，t为收集时间，V是阴阳极两端电压，I为恒流电流。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量等离子体沉积的动态压阻探针，其特征在于：收集器采用奥氏体不锈钢。
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